專利名稱：非均一化損耗因子的基于信號強(qiáng)度的定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種移動目標(biāo)定位方法，尤其是一種非均一化損耗因子的基于信號強(qiáng) 度的定位方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)階段，物聯(lián)網(wǎng)是我國重點發(fā)展的一個領(lǐng)域，定位技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一個方向， 對于工業(yè)安全監(jiān)控，例如煤礦安全等問題具有重要意義，當(dāng)然其應(yīng)用領(lǐng)域不局限于此，用在 工業(yè)流水線上，能夠提高流水線的效率。
以煤礦井下工作安全為例，一旦發(fā)生事故，如何快速、準(zhǔn)確的找到人員所在的位 置，對于救助工作有極大的幫助。利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以在監(jiān)測環(huán)境中預(yù)先布置好 若干固定位置的參考節(jié)點，并且利用這些節(jié)點來接收人員攜帶的節(jié)點發(fā)出的信號，進(jìn)而通 過一定的算法來確定人員的位置。
這種原理進(jìn)行定位的方法在技術(shù)上可以分為三類基于時間的定位技術(shù)、基于信 號強(qiáng)度(RSSI，接收信號強(qiáng)度指示)的定位技術(shù)、基于信號角度(AOA)的定位技術(shù)，基于時 間的定位技術(shù)可分為到達(dá)時間(TOA)和到達(dá)時間差(TDOA)。TOA需要參考節(jié)點之間精確的 時間同步；TDOA受限于過短的超短波傳輸距離和環(huán)境的通視性；AOA需要額外的硬件支持。 RSSI定位系統(tǒng)的硬件組成包括(1)2個或者以上的參考節(jié)點，每個節(jié)點都有無線接收和發(fā) 送的功能，而且這些節(jié)點的位置都是固定而且已知的。( 待定位的移動節(jié)點，其傳輸協(xié)議 和參考節(jié)點相同，但只具有無線發(fā)射功能。(3) —個網(wǎng)關(guān)/基站節(jié)點，用于接收參考節(jié)點收 到的移動節(jié)點的RSSI信息，通過軟件計算得出移動節(jié)點的位置。RSSI定位技術(shù)成本低，定 位精度可以滿足大部分的應(yīng)用，而且它不需要額外的硬件支持，利用參考節(jié)點和移動節(jié)點 最基本的發(fā)射和接收就可以實現(xiàn)定位。
但是，現(xiàn)有技術(shù)中由于各個節(jié)點的接收器和天線的性能不一致性，環(huán)境因素等多 重影響使得RSSI定位系統(tǒng)的精度有限。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種基于信號能量強(qiáng)度定位的方法，屬于一種移動目標(biāo)定位方法。 本發(fā)明主要克服了現(xiàn)有技術(shù)在定位精度上的不足。所提供的方案是采用非均一化的損耗因 子來計算距離，是指在RSSI的應(yīng)用系統(tǒng)中，每個參考節(jié)點在不同區(qū)域的損耗因子都采用預(yù) 先測量的值，監(jiān)控軟件中有損耗因子參數(shù)的數(shù)據(jù)庫，在定位過程中，采用3個信號強(qiáng)度最大 的參考節(jié)點，根據(jù)信號強(qiáng)度和距離的關(guān)系，得出移動節(jié)點的位置。
按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述非均一化損耗因子的基于信號強(qiáng)度的定位方法 如下。
設(shè)置無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括不少于4個參考節(jié)點，每個參考節(jié)點具有無線接收和 發(fā)射功能，相互之間能夠通信，其接收天線為各向同性，參考節(jié)點的位置是已知的；待測的 一個或多個移動節(jié)點具有無線發(fā)射功能，發(fā)射頻率、通信協(xié)議和參考節(jié)點一致，其發(fā)射天線為各向同性；至少一個基站，用于收集各個參考節(jié)點發(fā)送過來的移動節(jié)點的接收信號強(qiáng)度 指示，然后用前期測量的存放在數(shù)據(jù)庫中的損耗因子計算出移動節(jié)點到各個參考節(jié)點的距 離，從而計算出移動節(jié)點位置；
定位過程為首先確保每個參考節(jié)點都加入了網(wǎng)絡(luò)，準(zhǔn)備就緒后，移動節(jié)點開始發(fā) 送信號；參考節(jié)點按照收到移動節(jié)點信號強(qiáng)弱來排序，根據(jù)三個收到移動節(jié)點信號強(qiáng)度最 大的參考節(jié)點來判斷移動節(jié)點所屬的區(qū)域；然后利用該三個參考節(jié)點在該區(qū)域?qū)?yīng)的損耗 因子分別計算出移動節(jié)點到這三個參考節(jié)點的距離，最后利用三邊測量法來確定移動節(jié)點 的位置。
所述損耗因子在每四個相鄰參考節(jié)點的中心測量信號強(qiáng)度后計算獲得，然后存放 在軟件數(shù)據(jù)庫中。所述信號強(qiáng)度可以是射頻信號強(qiáng)度或者水下聲信號的強(qiáng)度。
本發(fā)明的優(yōu)點是
1.實現(xiàn)方便本發(fā)明提出的方法采用參考節(jié)點和移動節(jié)點的收發(fā)就可以直接完 成。
2.提高精度可以消減監(jiān)測區(qū)域環(huán)境不均一性帶來的誤差，把屏蔽等因素以損耗 因子的形式存放在測距的數(shù)據(jù)庫中，有效提高定位和跟蹤的精度。
3.適用范圍廣本發(fā)明不受陸地和水下環(huán)境的影響，可以在工業(yè)環(huán)境、民用環(huán)境、 軍事領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。


圖1是定位系統(tǒng)的組成示意圖。
圖2是定位系統(tǒng)區(qū)域性損耗因子測量示意圖。
圖3是定位系統(tǒng)算法流程圖。
圖4定位系統(tǒng)工作實施例示意圖。
圖5定位系統(tǒng)對環(huán)境因素的校正作用示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
具體的系統(tǒng)建設(shè)過程中，為了方便參考坐標(biāo)的建立以及損耗因子的測量，參考節(jié) 點建議以長方形的格局來布置，然后就進(jìn)入了區(qū)域?qū)?yīng)的損耗因子測量的過程，為軟件數(shù) 據(jù)庫提供計算參數(shù)。首先，每四個相鄰的參考節(jié)點確定一個區(qū)域，在每個區(qū)域的中心位置測 試出對應(yīng)參考節(jié)點的損耗因子，然后把數(shù)據(jù)存在對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中，每個區(qū)域?qū)?yīng)一個4組 損耗因子數(shù)據(jù)庫，這樣，相當(dāng)于把環(huán)境因素，節(jié)點收發(fā)器性能的不一致性都考慮在了損耗因 子里面。在定位的過程中，首先根據(jù)3個接收到信號最強(qiáng)的參考節(jié)點確定移動節(jié)點在哪一 個區(qū)域，然后確定用哪一個區(qū)域的參數(shù)來計算到各個參考節(jié)點的距離，最后利用三邊測量 法來計算出移動節(jié)點的位置。
參見圖1。其中黑色的圓代表移動節(jié)點，空心的圓代表參考節(jié)點，雙向的箭頭表示 無線通信。系統(tǒng)的最基本組成可分為(1)不少于4個參考節(jié)點，每個參考節(jié)點具有無線接 收和發(fā)射功能，相互之間可以通過某種協(xié)議通信，其接收天線為各向同性，參考節(jié)點的位置 是已知的。( 待測的一個或多個移動節(jié)點具有無線發(fā)射功能，發(fā)射頻率、通信協(xié)議和參考節(jié)點一致，其發(fā)射天線為各向同性。(3)至少需要一個基站，用于收集各個參考節(jié)點發(fā)送過 來的移動節(jié)點的RSSI信息，然后用前期測量的存放在數(shù)據(jù)庫中的損耗因子計算出移動節(jié) 點到各個參考節(jié)點的距離，計算出移動節(jié)點位置。
在利用無線能量定位的系統(tǒng)中，移動節(jié)點每隔固定時間發(fā)送信號，發(fā)送的時間間 隔也關(guān)系到定位系統(tǒng)的精度，同時也關(guān)系到移動節(jié)點的功耗問題。在實際的應(yīng)用中，由于一 般采用電池供電的方式，應(yīng)該考慮到對精度和使用時間的需求，然后選擇發(fā)送間隔和發(fā)送 功率。
參見圖2。其中有9個空心的圓，分別代表9個參考節(jié)點，它們把整個定位區(qū)域分 為A、B、C、D4個區(qū)域。損耗因子首先要在每四個相鄰參考節(jié)點的中心測量信號強(qiáng)度后計算 獲得，然后存放在軟件數(shù)據(jù)庫中。所述信號強(qiáng)度可以是射頻信號強(qiáng)度或者水下聲信號的強(qiáng)度。
已知無線信號傳輸損耗的公式如下
PEec = Psend-IO · η · Igd-X公式一
其中，PEec為接收端收到信號的強(qiáng)度，Psend為發(fā)送信號的強(qiáng)度，η為損耗因子，d表 示接收端和發(fā)送端的距離，X代表的是參考節(jié)點和移動節(jié)點間距1米時的固定損耗。
在損耗因子η的測量中，首先X可以預(yù)先測量多次，取平均值。然后，把移動節(jié)點 放置在區(qū)域A的中心，然后分別測量參考節(jié)點1、2、4、5這4個節(jié)點收到的信號強(qiáng)度P1, P2, P4, P5-已知d為中心到各個參考節(jié)點的距離，可以分別計算出A區(qū)對應(yīng)4個參考節(jié)點的損 耗因子Nla，N2a，N4a，N5a.然后，分別測試其他3個區(qū)域參考節(jié)點對應(yīng)的損耗因子，N2b，N3b，N5b， N6b, N4c, N5c, N7c, N8。，N5d, N6d，N8d，N9d，然后存在數(shù)據(jù)庫中。
參見圖3。定位系統(tǒng)的工作流程中，首先確保每個參考節(jié)點都加入了網(wǎng)絡(luò)，準(zhǔn)備就 緒后，移動節(jié)點開始發(fā)送信號。參考節(jié)點按照收到移動節(jié)點信號強(qiáng)弱來排序，把收到信號最 強(qiáng)的三個參考點找出來，然后確定移動節(jié)點所在的區(qū)域。確定區(qū)域之后，用這三個參考節(jié)點 對應(yīng)的該區(qū)域的損耗因子計算出移動節(jié)點到該三個參考節(jié)點的距離。最后，利用三邊測量 法得出移動節(jié)點的位置。
參見圖4。其中有2個移動節(jié)點，在移動節(jié)點1的定位過程中。首先，由于參考節(jié) 點1、2、4收到的移動節(jié)點信號強(qiáng)度最大，確定使用這3個參考節(jié)點來定位，利用A區(qū)的損耗 因子。然后，利用公式一，在已知Ρ^，Psend, Nla，N2a，N4a，X的情況下，分別算出屯，d2，d4，然 后利用三邊測量法計算出移動節(jié)點1的位置。
參考節(jié)點3、5、6收到的移動節(jié)點2的信號最強(qiáng)，判斷移動節(jié)點2在區(qū)域B。然后， 利用公式一，在已知PEec, Psend, N3b, N5b，N6b，以及X的情況下，分別算出d3，d5，d6.然后利用三 邊測量法來計算出移動節(jié)點2的位置。
參見圖5。在參考節(jié)點1、2、3、4所包圍的區(qū)域中，參考節(jié)點4由于樹林的遮擋，在 損耗因子的測量中，參考節(jié)點4收到的信號強(qiáng)度較小，也就是說計算出的損耗因子會比其 他三點的大。在系統(tǒng)的定位過程中，參考節(jié)點4使用較大的損耗因子能夠減少由于樹林遮 擋帶來的距離計算上的誤差。因此，使用非均一化的損耗因子能夠克服環(huán)境的不一致性，提 高定位系統(tǒng)的精度。
權(quán)利要求
1.非均一化損耗因子的基于信號強(qiáng)度的定位方法，其特征是設(shè)置無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括不少于4個參考節(jié)點，每個參考節(jié)點具有無線接收和發(fā)射 功能，相互之間能夠通信，其接收天線為各向同性，參考節(jié)點的位置是已知的；待測的一個 或多個移動節(jié)點具有無線發(fā)射功能，發(fā)射頻率、通信協(xié)議和參考節(jié)點一致，其發(fā)射天線為各 向同性；至少一個基站，用于收集各個參考節(jié)點發(fā)送過來的移動節(jié)點的接收信號強(qiáng)度指示， 然后用前期測量的存放在數(shù)據(jù)庫中的損耗因子計算出移動節(jié)點到各個參考節(jié)點的距離，從 而計算出移動節(jié)點位置；定位過程為首先確保每個參考節(jié)點都加入了網(wǎng)絡(luò)，準(zhǔn)備就緒后，移動節(jié)點開始發(fā)送信 號；參考節(jié)點按照收到移動節(jié)點信號強(qiáng)弱來排序，根據(jù)三個收到移動節(jié)點信號強(qiáng)度最大的 參考節(jié)點來判斷移動節(jié)點所屬的區(qū)域；然后利用該三個參考節(jié)點在該區(qū)域?qū)?yīng)的損耗因子 分別計算出移動節(jié)點到這三個參考節(jié)點的距離，最后利用三邊測量法來確定移動節(jié)點的位 置。
2.如權(quán)利要求1所述的非均一化損耗因子的基于信號強(qiáng)度的定位方法，其特征是所述 損耗因子在每四個相鄰參考節(jié)點的中心測量信號強(qiáng)度后計算獲得，然后存放在軟件數(shù)據(jù)庫 中。
3.如權(quán)利要求1所述的非均一化損耗因子的基于信號強(qiáng)度的定位方法，其特征是所述 信號強(qiáng)度是指射頻信號強(qiáng)度或者水下聲信號的強(qiáng)度。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種基于信號能量強(qiáng)度來定位的方法，信號可以是射頻信號或者是水下聲信號，所述的定位步驟包括如下測量對應(yīng)各個區(qū)域的參考節(jié)點路徑損耗因子，建立損耗因子的數(shù)據(jù)庫；利用信號最強(qiáng)的3個點來確定移動節(jié)點所在的區(qū)域；利用對應(yīng)區(qū)域的參考節(jié)點的損耗因子來計算移動節(jié)點到3個參考節(jié)點的距離；利用三邊測量的方法計算出移動節(jié)點的位置。采用這種定位技術(shù)可以解決現(xiàn)有RSSI定位技術(shù)存在容易受環(huán)境不一致性影響、精度不高的缺點。
文檔編號H04W64/00GK102036372SQ20101055495
公開日2011年4月27日 申請日期2010年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月16日
發(fā)明者萬書芹, 虞致國, 陳子逢, 魏斌, 黃召軍 申請人:中國電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所